第二章生物医学工程学的基础理论-电磁学

生物电磁学生物医学工程学的理论基础生物电磁学是研究生物体电现象和磁现象以及生物电磁的应用的一门学科。生物电磁学是建立在膜生物物理学基础之上的侧重于从宏观角度研究生物电现象和生物磁现象。现代生物电磁学在很多方面都已深入到细胞级甚至是分子级的研究水平。生命的火花生物电磁学的定义生物电磁学的研究范围外界电磁波（场）与生物体的相互作用主要包括生物组织的介电特性、各层次的生物学效应及其作用机理、生物电磁剂量容许暴露限值、生物医学中的应用及用于生物和医疗的辐射系统等。Bioelectromagnetics生物体自身产生的电磁现象主要包括电磁现象的产生机理，电磁信号的测量、处理和应用等。Bioelectromagnetism

生物电磁现象生物电现象生物电的生理基础心电脑电肌电其它生物电生物磁场现象生物电生物电现象是“生命的火花”。一旦生命活动停止，电现象也就消失了。正常的生物电活动是生物和人体保持生命功能必不可少的条件。若由于机体内部或外界原因造成生物电活动障碍，如神经中毒、心电传导阻滞等，会引起疾病甚至死亡。生物电的主要基础是细胞膜内外有电位差，即膜电位。生物电现象是生物系统内一种普遍的共有现象。生物电的测量宏观测量，如脑电、心电和肌电等。微观测量，利用微电极技术测量到单个细胞的电活动。生物电的发现人类很早就发现了生物体的电现象。早在公元前300多年前，古希腊人亚里士多德记载了地中海电鳐有强烈的“震击”作用。以后的资料陆续记载了非洲尼罗河内的电鲶和美洲的电鳗等都具有发电器官。早在公元一世纪，古罗马的医生就曾用电鳗的放电来治疗痛风。人类关于生物电现象的系统研究，就起源于伽伐尼与伏特的有益争论。1678年荷兰生物学家斯威莫尔登用蛙的肌肉做实验，他把肌肉放在玻璃管内，用一根银丝和一根铜棒去触及肌肉，可引起肌肉的收缩活动。从科学发展史可知，对生物体内电现象的深入研究，开始于意大利的医生、生理学家伽伐尼与同时代的物理学家伏特间的一场著名争论。伽伐尼于1791年发表了《肌肉运动中的电效应》，提出：①一块蛙的神经-肌肉标本，即使放在离放电的静电区很远的地方，当观察者触及它时，也会发生收缩。②在雷电时刻竖立一条长的导线，那么大气的电荷也可用来刺激蛙腿。③当将蛙腿用铜钩挂在铁栏杆上时，即使没有雷电，也会产生收缩。伽伐尼将这些现象发生的原因归之于标本中带有动物电。他认为，神经与肌肉带有相反的电荷，而金属导体的作用仅是把神经与肌肉之间的通路接通而已。伏特认为，伽伐尼实验中发现的所有能使蛙肌肉收缩的实验都是由于双金属电流所引起的。他认为只要具备三件东西，即两种不同的金属以及完成电路的导体就能产生电流。由于伽伐尼连接标本所用的金属性质不同就可以产生电位差，而神经肌肉上的组织液体是含有电解质的。因此，用金属与组织液接触时就产生了电流，蛙肌肉只充当了电路的导体。伏特认为伽伐尼实验中所发生的现象，是外加电流刺激了肌肉标本，才引起肌肉收缩。伏特和伽伐尼的争论促使他们各自的派别进行进一步的实验，以此验证自己论点的正确。伏特采用一组铜板和一组锌板，中间用盐水浸过的呢绒隔开，由于不同金属与电解质相接触，产生了电动势，制造出了世界上第一个直流电电池——伏特电池，这也是科学史上的一个重大发现。伽伐尼为了验证自己的观点，舍去金属作为通路，他发现，在无金属参与的情况下，神经肌肉标本上的肌肉仍可发生收缩现象，这就有力地证明了生物电的存在。生物电特性蛋白质——构成成分氨基酸在水中离解成离子基团或电偶极子DNA——碱基和磷酸酯存在离子基团和电偶极子生物水——电偶极子组织液——无机离子K+Na+Ca2+Cl-

等体内电荷形式：离子、离子基团、电偶极子氨基酸靠肽键联结聚合成多肽链原子中心不重合使肽键呈现极性一、蛋白质和DNA的偶极矩1、蛋白质的偶极矩

（电磁作用靶点）带电原子的相互作用维持空间构型二、生物水的电特性水分子具有很强的偶极性；能与其它离子或生物大分子之间以氢键相联系，决定其构象和功能平均寿命10－11s2、DNA的偶极矩DNA由核苷酸分子构成，核苷酸两端的基团都是极化的，具有一定的电偶极矩。DNA中每一个碱基都具有一定的电偶极矩.是电磁作用的靶点A-T5.9DC-G6.2D

磷酸头（亲水性）甘油酯尾（疏水）磷脂分子⑴

细胞膜——脂双层细胞膜内外存在电位差，称为膜电位。●人体任何细微的活动，都伴随着生物电的产生和变化●生物电是以细胞为单位产生的。细胞电活动基础（组织液中的带电离子）细胞膜与生物电生物电现象的生理基础流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel)：脂双分子层构成生物膜的连续主体，既具有固体分子排列的有序性，又具有液体的流动性，呈液晶态；球形蛋白质分子以各种形式与脂双分子层相结合（1972）

细胞膜的主要化学成分是脂类、蛋白质及糖类，各类型膜的组成成分比例各不相同。细胞膜通过控制细胞内的渗透浓度调节细胞体积细胞膜是高度选择性的半透膜，氧、二氧化碳和水等分子可以轻易透过，而其它大分子和离子必须经蛋白质通道运输。细胞溶液的等渗、低渗和高渗只取决于那些不能自由跨膜流动的微粒。而对于可自由通过细胞膜的微粒最终会达到平衡，即细胞内外的浓度相等。哺乳动物细胞胞内外离子浓度

胞内（mmol/L）胞外（mmol/L）平衡电位（mV）Na+1214565K+1554-95Cl-3.8120-90其它阴离子1550…包括蛋白质、带电荷的氨基酸、硫酸根离子和磷酸根离子等。

细胞膜的选择透过性导致细胞膜内外存在的带电离子的不均等分布现象。由此，在细胞膜内外必然存在一定的电位差，即细胞膜电位差。细胞膜内外离子在特定条件下选择性通过膜后，导致细胞膜内外的电势梯度的改变。这不仅可以驱动各种运输过程，而且也是导致细胞生物电现象的原因。渗透是物质穿过细胞膜的一种方式渗透是分子从相对高浓度区扩散到低浓度区的过程。是细胞内被动运输的过程。渗透浓度（osmolarity）：溶液中游离微粒的浓度。1Osm表示1L溶液中含有1mol微粒。1mOsm表示1000L溶液中含有1mol微粒。等渗、低渗和高渗溶液等渗溶液：两种溶液的渗透浓度相等低渗溶液与高渗溶液：

一种溶液的渗透浓度低于另一种溶液，此溶液为低渗溶液；反之为高渗溶液。静息电位：细胞在没有受到外来刺激时，处于静息状态下的细胞膜内外电位差称为静息膜电位（restingpotential，RP）。20世纪30年代乌贼的巨大神经纤维（它粗大的轴突直径可达1毫米）的电生理实验。实验方法：取两个微电极，一个插入神经纤维内，一个接到神经纤维膜表面，用微伏计测出膜内外的电位差，即电势差。结果显示：膜外为正电位，膜内为负电位。膜电位的“+”“-”表示膜内电位与膜外电位的相对关系。一般将膜外电位定义为零电位。大多数无脊椎和脊椎动物的神经纤维、肌细胞的膜电位在-50∽-100mV。式中k为玻耳兹曼常数；Z为离子价数。能斯特方程半透膜u静息电位KCl膜的极化：生理学将静息电位存在时膜两侧所保持的内负外正状态，称为膜的极化。如膜内电位负值减小，称为除/去极化（depolarization）。如膜内电位负值增大，称超极化（hyperpolarization）。膜去极化后，又恢复到安静时的极化状态，则称复极化（repolarization）。极化反极化去极化复极化细胞的动作电位●

细胞受到刺激时，膜电位发生突然变化，即动作电位。动作电位是指各种可兴奋细胞受刺激后，在RP的基础上，膜内外电位发生的快速倒转和复原的过程。在此过程中，细胞膜内外的极性发生反转，由内负外正转为内正外负的状态。在一个给定细胞中，动作电位的波形相同。反极化：膜电位发生反转的部分（0-30mV之间），也称为超射。负后电位锋电位超极化Ap分期（以神经细胞为例）动作电位产生与膜对Na+，K+离子的通透性有关。在动作电位期间，两种离子的通透性均增高，但程度与时间并不一致。钠钾离子在膜两侧的流动与膜上钠、钾离子电压门控通道的开放与关闭有关。动作电位形成的离子机制除极化初期，钠离子通道立即激活并开放，导致大量钠离子的内流，引起膜两侧电位减小，极化状态的反转。当膜电位接近峰值时，膜内外的电势差阻止钠离子的进一步扩散，达到新的平衡。钠离子通道开放的同时，钾离子通道也被激活，但其开放速率较慢，钾离子的外流抵抗了钠离子的内流。随着钠离子通道的失活，钠离子内流速度减慢并停止。钾离子外流超过钠离子内流，膜电位开始复极化并恢复静息状态。钠钾离子在膜两侧的流动与膜上钠、钾离子电压门控通道的开放与关闭有关在静息状态，两种通道处于关闭状态。钠离子通道的激活态门处于关闭，失活态门处于开放，即门控钠离子通道虽关闭但有能力开放。无离子通过门通道。去极化过程，钠离子通道的激活态门开放，钠离子的浓度梯度与电压梯度驱使钠离子内流，形成正反馈。复极化过程，钠离子通道的失活门与激活态门一侧受体识别关闭了钠离子通道。同时钾离子通道开放，对K+的通透性增大，于是细胞内的K+便顺其浓度梯度向细胞外扩散，导致膜内负电位增大，直至恢复到静息时的数值。2、动作电位的扩布在同一细胞内的扩布。神经细胞中，动作电位的扩布沿细胞膜向外传导，又称为神经传导。在不同细胞间的扩布。动作电位在两细胞间的扩布，又称为传递，通过突触结构完成。运动神经元神经元（神经细胞）结构上大致都可分成胞体（cellbody,orsoma）和神经突两部分。神经突又分树突（Dendrites）和轴突（Axon）两种。神经传导——同一细胞内的扩布。动作电位的传导

动作电位的特征之一就是它的可传导性，即细胞膜任何一处兴奋时，它所产生的动作电位可传播到整个细胞。传导机制：局部电流有髓鞘：跳跃式传导1、生理完整性2、无衰减：

信号强度不变。3、绝缘性：

两条神经纤维之间的信号不会互相干扰。4、双向性：

神经冲动从产生处在向两个方向传导。神经冲动传导特点突触传递是动作电位由神经细胞间向其他细胞进行信息传递的基本方式突触（synapse）一词最早由英国生理学家Sherrington(1897)提出。此词由希腊语衍牛而来．原意为“互握”。定义：神经元之间、神经元与效应细胞之间相互联系和信息传递的特化结构称突触。经典突触的结构由突触前膜、突触间隙和突触后膜三部分组成。神经传导——不同细胞内的扩布。电突触：允许离子电流从一个细胞直接流入另一个细胞。化学突触：通过突触前神经元释放的化学递质与突触后细胞膜上的特异受体相互作用完成信息传递。突触可分为两种类型：突触前膜：离子通道,受体,转运体等。突触前膜内各种成分:囊泡,微丝,微管,各种蛋白等。突触的结构突触间隙：宽15-30nm，间隙内存在糖蛋白和细丝等物质，这些物质将前后膜牢固联系起来。突触后膜：膜受体,离子通道等。

突触后膜内侧含有G-蛋白，第二信使系统，有关酶等成分。兴奋在突触部位的传递过程动作电位到达突触前末梢，膜去极化，Ca2+内流，含有神经递质的囊泡向前膜内侧靠近，融合，递质释放进入突触间隙。神经递质通过扩散到达突触后膜，与后膜上的受体结合，产生兴奋性突触后电位(excitatorypost-synapticpotential,EPSP)或抑制性突触后电位(inhibitorypost-synapticpotential,IPSP)，然后引起突触后神经元的功能状态发生变化，如离子通道的开放或关闭，蛋白质的合成或磷酸化等等；--快速反应引起突触后神经细胞发生一系列生物化学反应,如G蛋白的激活,cAMP的合成增加等,从而导致突触后神经细胞的功能状态发生变化.—较慢反应兴奋在突触部位的传递过程兴奋在突触部位的传递兴奋性突触后电位(EPSP)EPSP:突触前膜释放某种递质，提高了突触后膜对小离子（包括Na+，K+,Cl-,尤其是Na+）的通透性，引起突触后膜去极化，出现EPSP。EPSP具有局部反应的一般特点：EPSP在传入冲动到达突触后神经元约0.3-0.5ms之后发生，它有一个较快的上升时相和慢而近指数的下降时相（5ms），电位总共持续约10-20ms。当传入冲动增加时，EPSP的幅度也随之增大，当膜电位达到阈电位时爆发动作电位。EPSP是由对Na+和K+都通透的化学门控离子通道开放所形成的。抑制性突触后电位(IPSP)IPSP:突触前膜释放某种递质，提高了突触后膜对一些离子（K+,Cl-,尤其是Cl-,但不包括Na+）的通透性，引起突触后膜超极化，出现IPSP。直接作用于离子通道，或通过跨膜信号转导和第二信使间接影响离子道的活动。二、心电哺乳动物的心脏活动可概括为两个过程：①心房收缩推动血液进人心室，由房室瓣膜控制血流流动方向。②心室收缩推动血液进人主动脉和肺动脉，血液流动由半月瓣和肺动脉瓣控制。心脏是人体中血液循环的动力源泉，依靠心脏有节律性的搏动，使得血液不断在体内循环，以维持正常的生命活动。心电是指心脏在搏动之前，心肌首先兴奋，并产生微弱电流，该电流经人体组织向各部分传导。由于身体各部分组织距离心脏距离不同，因此在体表各部位，表现出不同的电位变化的现象。心脏的传导系统指由一系列特殊心脏细胞联结组成的传导系统，这些细胞组织既有自动产生兴奋的功能，又有较一般心肌细胞更快的传导功能，这样使兴奋有节律地按一定顺序传播，使心脏保持正常的有节律的收缩和舒张，以维持血液循环。心脏传导系统包括窦房结、结间束、房室结、房室束（希氏束）和其分支以及分布到心室内的浦肯野纤维网。正常心脏兴奋的起源点在窦房结。心脏电活动起初在某些点上收缩，然后逐渐整个心脏收缩。心脏活动是相当准确的重复的电活动的集合。心动周期：心脏各房室一次收缩和一次舒张构成的活动周期，起始于心脏窦房结起搏细胞产生的电脉冲。是心肌细胞中各种离子跨膜运动的结果。心肌细胞的生物电现象合胞体：一处兴奋会迅速引起所有细胞的收缩。大量线粒体：提供能量。T小管：参与心肌兴奋-收缩偶联。心肌细胞纤维短、相邻细胞间形成闰盘连接。闰盘之间的缝隙连接组成了细胞间通讯的高电导通路，使信号通过电耦合从一个细胞迅速传递到另一个细胞。工作心肌细胞的动作电位分为0，1，2，3和4五期。0期，又称为“去极化过程”。1期，“快速复极初期”。2期，“缓慢复极期”。3期，“快速复极末期”。恢复期4期，“恢复期”。心肌动作电位涉及多种离子通道的活动，是这些离子运动产生的电位的总效果，主要是钠离子通道开放的效果。超射之后的平台期是心肌细胞动作电位的一个特点，主要是由钾离子携带的外向电流与钙离子形成的内向电流形成的。一个心动周期中，由窦房结产生的兴奋，依次传向心房和心室，这种兴奋的产生和传布时所伴随的生物电变化，通过周围组织传到全身，使身体各部位在每一心动周期中都发生有规律的电变化。用引导电极置于肢体或躯体的一定部位记录出来心电变化的波形，即为心电图(electrocardiogram，ECG)。认识心电图心电图的含义：P：表示心房的去极化QRS：表示心室的去极化T：心室的复极化正常心电活动始于窦房结，兴奋心房的同时经结间束传导至房室结（激动传，然后循希氏束-左、右束支-普肯耶纤维顺序传导，最后兴奋心室。这种先后有序的电激动的传播，引起一系列电位改变，形成了心电图上相应的波段。P波代表左右两心房兴奋除极过程所产生的电压变化。P-R期间代表心房开始除极传经房室结、希氏束至心室开始除极前的时间。QRS综合波代表室间隔与左右两心室除极过程产生的电压变化。ST段代表心室除极后慢慢恢复极化过程的电压变化。T波代表心室肌迅速恢复极化过程的电压变化。U波是在T波后的一个很小的正向波，代表心肌激动的“负后电位”。ECG记录和分析方法的研究是生物医学工程人员工作内容之一。心脏病人心电图中各波的波形、幅度、占有时间以及波形偏转方向等与正常心电图之间的差异，就是利用心电图诊断心脏疾病的依据。随着临床心电图学的发展，又出现了心电向量图、心室晚电位、希氏束电图、高频心电图等方法心电正问题与逆问题心电正问题：是在已知心脏状态下，依据心肌的电生理特性参数，通过建立心脏模型和人体躯干模型用仿真的方法来研究心肌的兴奋是如何传播及如何形成体表电位的。通过设置心电仿真模型的模型参数，可以研究不同心脏生理病理状态下的体表电位分布情况。心电逆问题：如果能从体表电位逆推出心电仿真模型的模型参数，那么由这些模型参数就可确定心脏所处的状态。即根据体表电位的分布、人体的几何形状以及躯干容积导体的电特性，通过数学物理方法来求得心脏电活动的定量解。利用心电逆问题的解反映出病变心肌的位置、大小及病变程度等定量信息。三、脑电人类大脑神经细胞（神经元）数量达150亿个。神经元像人体中的其他细胞一样，具有生物电活动。神经细胞的跨膜静电息电位（或称膜电位）大约为-70mV，这个静息电位可认为是由K+外流而形成的。大脑皮层中单个神经元的膜电位通常在头皮上检测不到，在头皮上检测到的电位变化——脑电波是由大脑皮层中无数个神经元同步化的电活动所形成。大脑皮层具有持续、广泛而有节律的电位变化，这种不受外界刺激的脑电变化称为自发脑电位（EEG）。脑的电活动可以为直接的或外界的确定性刺激（电、光、声等刺激）所影响，产生另一种局部化的电位变化称为诱发脑电位（EP）。通常从人的头皮上所引导的诱发电位幅度较小，在0-10μV，且常被淹没在自发脑电波中而难以观察。如果把一串相同的刺激做出的反应所获得的诱发电位加以叠加平均，则所产生的波形叫作平均诱发电位（AEP）。脑电波脑电图信号脑电图的特点：是一种随机性很强的生理信号，其规律性不如心电图明确，通常将脑电图的振幅和频率成分作为脑电诊断时的主要依据，而频率成分显得尤为重要，因为大脑活动的程度与脑电图的平均频率之间有密切的关系。自发脑电活动通常以一种占优势的频率为其标志。自发脑电信号较弱，在正常情况下，从波峰到波谷（幅值）为10-100μV，其频率范围为1~50Hz，波形因不同的脑部位置而异，并与觉醒和睡眠的水平有关，且存在很大的个体差异，也就是说脑电波在不同的正常人中也存在着不同的表现。脑电图：将电极放置在颅外头皮表面所记录到的自发脑电活动称为脑电图。在国际上，一般将正常脑电活动相关的脑电波频率范围划分成五种类型，频率由高到低依次为γ波、β波、α波、θ波、δ波。α波通常在觉醒、安静和闭眼时出现在枕叶。即脑在休息（但未入睡）时出现α波，睁眼或人睡时，α波消失。α波存在很大的个体差异，约有10%的正常人记录不到典型的α波。β波具有较高的频率，常见于紧张的精神活动期间。θ波主要见于儿童和成人浅睡时，出现在顶部和颞部。δ波出现于成人深睡时，以及早产婴儿和幼儿。成人极度疲劳和麻醉时也出现δ波。γ波是由注意或感觉刺激引起的一种低幅高频波。脑电波由高振幅慢波转变为低振幅快波时，表示皮质的兴奋活动增强，为去同步化。反之，为同步化。β波是新皮质处于兴奋状态下的主要脑电活动；α波是皮质处于安静状态下的主要表现。儿童脑电频率比成人慢，清醒时可常见θ波，10岁才开始出现α波。婴儿脑电波更慢，常见δ波。脑电图波可以因大脑皮层和脑干病理所改变。例如皮层中电活动的消失或阻尼可能是由于肿瘤压迫在神经元上并使其损伤，也可能是由于循环障碍引起缺氧，出血或栓塞。脑电图的波形也受影响意识水平的脑干中的病理过程所影响。脑电图是诊断某些精神疾患的重要依据。例如在临床上可检查疑似癫痫和脑肿瘤病人，还可以用于测定意识水平和确定大脑的死亡。电极在头皮上安放的方法通常采用国际标准10/20电极位置系统。和心电图相同，脑电图的电极连接可采用单极或双极导联方式。脑电图的记录方法单极导联双极导联诱发脑电位（EP）：是感觉传入系统受到刺激时，在中枢神经系统内引起的电位变化。广义上说，用其他刺激方法引起的中枢神经系统的电位变化也可称为诱发电位。当感觉传入系统受刺激时，在皮质某一局限区域引出的电位变化称为皮质诱发电位，常出现在自反脑电波背景之上。一般由主反应、次反应和后发放三部分组成。主反应：1-12ms，先正后负的双相变化，是皮质大椎体细胞电活动的总和反应。次反应：跟随主反应之后的扩散性续发反应。后发放：是主次反应之后的一系列正向周期性电变化。诱发脑电位的研究采用诱发电位研究感觉系统投射部位及大脑皮层功能有重要作用。诱发电位可在脑皮层和中枢神经系统的其他部位（如丘脑、中脑等）引出。可从一个角度阐明中枢神经系统各部分之间、大脑皮层各部分以及皮层下不同细胞成分相互作用的机制。人的精神状态对脑电活动有极大影响，因此，脑电图对高级神经活动特别是心理活动具有重要意义，这对于模拟大脑功能及认知研究、人工智能研究等都具有非常重要的意义。肌电人体骨骼肌600-700块。整个肌肉系统重量占人体总重量的40%。每块肌肉都有许多肌细胞（肌纤维）借结缔组织连接在一起，两端和肌腱相连，加上供应它们的神经、血管和淋巴管共同形成。每块肌肉附着在骨骼及其他结缔组织上，在神经系统的管理下，成为一个具有执行一定运动机能的机械效应系统。

每块骨骼肌都由肌腹和肌腱两部分构成，肌腹主要由肌纤维构成，柔软而有收缩能力。肌腱由致密结缔组织构成，强韧而无收缩能力，位于肌腹的两端。肌腹以肌腱附着于长骨。骨骼肌的结构特征：肌鞘膜肌束肌束膜肌纤维（细胞）肌纤维膜骨骼肌纤维是长圆柱状细胞，表面由肌膜包围，其长度一般约为3～40mm，直径约为10～100μm。许多肌纤维排列成束，构成肌束。肌肉则由许多聚集在一起的肌束构成。肌肉的特性收缩性：肌肉缩短的能力。兴奋性：肌肉接受和响应刺激的能力。展长性：肌肉拉伸的能力弹性：肌肉拉伸或收缩之后恢复原状的能力。

兴奋与收缩是骨骼肌最基本的机能，也是肌电图形成的基础。肌肉的基本机能是将生物化学能转变为机械位能或动能。这种转变是靠骨骼肌所具有的生理特性——收缩性实现的。人体的每一块骨骼肌都受一定的神经支配。当来自中枢神经系统的神经冲动，由分布于肌肉中的运动神经末梢通过运动终板传递给所支配的肌纤维并引起肌纤维兴奋时，肌纤维的机械状态即发生变化。肌纤维在刺激作用下所发生的这种机械状态的变化称为肌肉收缩。肌肉收缩机理运动神经纤维到达肌肉时，不断分支，每一分支支配一条肌纤维。神经纤维末梢失去髓鞘嵌入到特化的肌细胞上，形成运动终板。骨骼肌的活动由运动神经直接控制。AP传导至末梢突触前膜Ca2+内流囊泡释放乙酰胆碱（Ach）Ach扩散与后膜（终板）受体结合AchE水解AchNa+内流,K+外流，膜去极化终板电位叠加动作电位整个肌细胞正常情况下，一次神经冲动释放的Ach大约在1—2ms内被破坏，因此：一个神经AP一个肌细胞AP一个收缩肌肉收缩的全过程中枢指令（反馈）运动神经传出（神经AP）神经肌肉兴奋传递（肌肉AP）兴奋收缩耦联（三联管，Ca2+）肌肉收缩（肌丝滑行）肌电图是不同机能状态下骨骼肌电位变化的记录，这种电位变化与肌肉的结构、收缩时的化学变化有关。在肌细胞中存在4种不同的生物电位：静息电位（RP）、动作电位（AP）、终板电位（EPP）和损伤电位（IP）。肌电图能直接反映肌肉活动的机能状态，有助于了解各部分肌肉在完成某一动作中所表现的作用。引导肌电信号的电极分类针状电极有单极同心针电极、双极同心针电极、多导同心针电极、单极针电极等，由铂金丝作为材料，经消毒后插入被检肌肉内引导肌电信号。运动单位电位的分析必须依赖于针状电极。表面电极一般是用银或不锈钢板制成厚0.2~0.5mm，直径8mm，放在皮肤表面的引导电极，用来引导电极下局部肌肉的电活动，是一种无创检测方法，适用于引导诱发电位或运动时肌电的变化，它引导出的肌电为多条肌纤维的综合电位，因此不能作运动单元电位的分析。电静息：正常骨骼肌处于松弛状态，肌纤维无动作电位出现，一根直线。插入电位：在电静息条件下，插入及移动电极瞬间，电极针尖机械刺激诱发的动作电位。单个运动单位电位：正常肌肉轻度收缩出现的分开的单个运动单位电位，肌纤维的综合电位或亚单位的综合电位。多个运动单位电位：骨骼肌轻度、中度或用最大力收缩时，多个运动单位持续活动，出现混合相干电位。肌电图的检查——正常肌电图肌电图的检查——异常肌电图安静状态异常肌电图纤颤电位：常是一种无节律的双相棘波，时限为0.2-3ms，振幅5～500μV，多在神经损伤18～21天后出现。若神经损害不恢复，肌肉变性后纤项电位也随之消失，称为"病理性电静息"；正尖波：为一正相关形主峰向下的双相波，仅见于失神经支配的肌肉。时限5～100ms，振幅50～4000μV。早于纤颤电位发生，约在伤后l～2周即可见到；束颤电位：是一种时限2～20ms、振幅100～4000μV的近似于正常运动单位动作电位的自发电位。只有同纤颤电位同时发生才有病理意义。随意收缩异常肌电图多相电位:波形在五相以上,为多相电位,也称复合运动单元电位.再生电位:与同步电位共称巨大电位.表明肌肉重新获得神经支配,预后良好.同步电位:鉴别肌源性疾病及周围神经疾患的肌电指标,进行性肌肌萎缩、脊髓炎等皆可出现同步电位。低电压运动单位电位：肌源性萎缩电位振幅渐增、渐减和易疲劳性。易疲劳性是指重症肌无力病人出现的轻度振幅渐减现象。肌电图的检查——异常肌电图肌电图的临床应用在临床上，肌电图机可用来对多种肌肉/神经性疾患进行诊断。例如可用肌电图来鉴别神经性肌萎缩以及肌源性肌萎缩；判别神经损伤的程度和部位；可作神经再生和矫形手术前后肌肉功能的分析；可用来作针灸、针麻、咀嚼肌功能、膀胱括约肌功能、子宫功能等研究的手段。在运动医学方面，肌电图机也可用来分析各种运动时肌肉的作用、力量和疲劳的肌电图指标等。其他生物电研究证明，生物体除心脏及脑的活动能产生电现象外，许多其他器官、组织都存在不同程度的电现象。胃电图（EGG）通过附在腹部皮肤上的电极测量的胃电信号记录。由于胃电信号的频率很低，仅0.05Hz，通常与呼吸干扰（0.2-0.4Hz）、心电信号（0.8~1.0Hz）、电极与皮肤的接触噪声（<3Hz）及其他噪声混叠，因而造成检测困难。视网膜电图眼电图眼震电图视网膜电图（ERG）当视网膜受到瞬间闪光刺激时，安放在视网膜内表面或角膜上的探测电极与安放在前额或耳垂部位的参考电极之间，可记录到短暂的电位顺序变化，这些电位变化总和称为视网膜电图。眼电图（EOG）眼运动引起的电位变化记录。眼电图可提供眼睛的取向、角速度、角加速度的影响，可作为研究药物对眼运动的影响，以及研究睡眠和视角搜查时眼运动的手段。眼震电图（ENG）眼球运动时角膜和视网膜电位变化的记录。眼震电图用于判定前底系统，中枢神经系统和视觉系统的功能。在临床体检、特种人员的选拔和健康鉴定方面均有广泛的应用。多道生理记录仪将几种电生理信号同步记录与显示的仪器称为多道生理记录仪。可以完成一个心动周期中电活动和机械活动的相比较鉴别。生理参数检测仪器生理参数的检测，是医学测量技术的一个基本部分，按被测参数划分，这类仪器可分为：生理电放大记录仪和非电生理参数检测仪。

心电图机用来记录心脏活动时心肌的生物电信号。

1957年美国物理学博士，实验物理学家NormanJ·Holter发明了动态心电图（AiululatoryECG），故动态心电图简称Holter。近半世纪以来，随着动态监护领域的进一步拓展，如动态血压、动态脑电、动态睡眠呼吸监测等技术在医学临床及科研中的广泛应用。现今，广义的Holter已不再局限专指动态心电图，Holter的全新诠释应包括：动态心电/动态血压/动态睡眠呼吸/动态脑电/动态肺功能/动态上消化道PH值等多种参数。动态心电图（AiululatoryECG）脑电图机脑电图机是用来记录大脑皮质神经细胞生物电活动的医用电子仪器，在临床上对颅内占位性病变、癫痫、脑部其他疾病的诊断以及神经系统的研究等方面有着广泛的使用价值。随着电子工业的发展，特别是集成电路和计算机技术在脑电图中个的应用，其稳定性、准确性更高，功能更趋完善，操作更加方便。

EEG-9200脑电地形图仪是首先应用无创电生理学记录方法，在人体头部多个部位（一般用16个电极），同时记录自发脑生物电（EEG）。然后通过计算机将各个部位的电信号进行快速的功率谱定量分析，并通过数学插值计算方法，按人体头部的形状，将检测和计算结果，用图象学方法，把整个头部的生物电分布状况，以彩色图像，有如地形地貌分布的地图形式，直观地显示出来肌电图机肌电图反映神经-肌肉的生物电流规律，包括运动单位肌电位、神经电位、轴突电位、周围神经的传导及反射等。通过对肌电图参数测量可获得神经-肌肉器质件损伤和功能件病变的生理特征参数。日本光电NeruropackM12-16导高级诱发电位/肌电图机视觉、听觉、体感诱发电位仪诱发电位是感觉器官接收到某种刺激而引起起伏变化的神经电位，它反映感觉传导路径的传输特性件，可提供有关神经系统功能方面的大量信息，而这些信息是用其他方法无法得到的，出此诱发电位测量已成为临床医学无损伤探测神经系统机能的重要于段。目前常用的有视觉诱发电位（YEP）、听觉诱发电位（AEP）、体感诱发电位（SEP）、识别诱发电位（P300）。眼震电图仪应用眼球震颤是前庭系统功能的主要特征。人体的前庭系统，是参与机体姿势位置平衡调节和定向内功能的主要协同部分。中枢神经系统，特别是前庭功能部分发生病变时，便出现具有一定特点的眼球震颤。因此，眼震电图对于前庭功能性疾病，特别是伴有眩晕的患者几乎成为常规检查方法。此外，在航空、航海等工作中，眼震图成为了解前庭功能的重要手段生物电磁学电磁场与电磁波理论的发展1831年英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象并提出电磁感应定律，制造出了世界上第一台发电机，并开创了人类应用电力的新纪元。1873年英国物理学家麦克斯韦在电磁学的三大实验定律（库仑定律、毕奥—沙伐尔定律和法拉第电磁感应定律）基础上，提出了位移电流的基本假设，归纳总结出麦克斯韦方程，奠定了宏观电磁理论的基础。1888年德国物理学家赫兹的实验结果证实了麦克斯韦的理论，从而导致无线电通信的发明，展现了电磁场与电磁波应用的广阔前景。

电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。是一种横波。电磁波波谱光子学一章讲述电磁波的特点电磁波==无线电波＋光波＋X射线＋γ

射线电磁波的属性——幅度和频率（波长、周期）电磁波的波粒二象性——波动性和粒子性（与光波一样）电磁波的波动性——直线传播、反射、折射、

绕射、散射……①通信的载波（载体）②探测和检测电磁波的粒子性（能量）——加热、干燥、灭虫、

育种、医学诊断、医学治疗…电磁波的应用作为信息载体的应用作为能量的应用雷达通信强功率弱功率利用电磁波对目标的探测和定位以及导航、气象探测、大地测量、工业检测和交通管制微波多路通信、微波中继通信、散射通信、移动通信和卫星通信微波加热：工业上的食品、橡胶、塑料、化学、木材加工、造纸、印刷、卷烟和农业上的灭虫、育种、育蚕、干燥谷物以及微波生物医学的应用（二重性）电量和非电量的测量：测量湿度，生产线的自动控制全球定位系统隐形轰炸机相控阵雷达无线电通信射电天文望远镜电磁波的生物学效应不仅对生物体有热效应，而且有非热效应。累积效应：热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及自我修复之前再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积，久之会成为永久性病态或危及生命。电磁波的生物学效应根据照射能量的不同可分为温热治疗、高温消融、电灼、电凝、切割等热疗方法。根据使用频率的不同，而对皮肤的穿透深度不同，又可分为浅表热疗、深部透热治疗。各种用途的微波热疗机、消融仪、微波电刀已成为医院重要治疗手段之一。热效应又称为能量效应，是指通过微波照射生物体引起其组织器官生热所产生的生理影响。微波治疗仪利用生物体信息传输通道向机体各部分传送，产生定位效应。呈现以下特点。非线性。外部电磁场仅为触发效应，效应能量来自内部。非热效应往往利用的是弱信号，机体组织不产生明显的发热现象。这类电磁波生物效应也被称作“信息效应”。电磁波在医学中的应用几乎所有的电磁波频段都在医学上获得应用。电磁波传播及其与不同媒介相互作用的基本效应，要取决于电磁波频率、功率及射频信号波形等参数，当应用于生物医学研究时，它们常被作为生物效应参数，此外还要考虑辐照时间。按照电磁波对原子－分子结构作用的特点，可分成电离辐射与非电离辐射两类。若为前者，电磁波有可能引起原子或分子电离，从而导致对生物体的强烈不可逆作用；若属后者，则作用相对很弱而且多是可逆的。电磁波生物医学检测就是利用外加电磁波作用于生物组织的电磁能，经组织传输、吸收和散射，被反射或透射的信号将携带生物体的物理或几何信息，通过检测和分析这些信号可获得有关生物学信息，利用不同的参数可进行生物成分、结构和功能的检测分析。如核磁共振技术和核磁共振成像技术、微波介电特性成像、微波热弹性成像、微波多普勒检测、生物介电谱技术等，都有不同程度的实际应用。电磁波生物医学检测生物电磁学微波的生物效应微波的生物效应及其在医学上的应用微波的医学应用包括有微波诊断、微波治疗、微波消毒、杀菌等。目前，微波在透热疗法及肿瘤治疗等方面也发挥了重要作用。微波辐射对人体和动物的作用是热效应和非热效应共同作用的结果。当辐射功率超过一定阈值后，以热效应为主，其生物学效应与其他热引起的效应相似。微波的生物学作用基础微波辐射为非电离辐射，辐射强度随与辐射远距离的加大而衰减，与生物组织的也迅速变弱。微波热效应的生理基础体内细胞存在离子，在外部电场作用下，这些极性分子可以形成“传导电流”。体内的大分子蛋白质，糖类以及内脏组织等具有类似的极性分子特点。生物组织存在电阻，体液粘滞会造成传导介质损耗产热。

2、电磁场在生物体内的传播特点生物体由多层厚度的空间组织构成。厚度不同，会影响电磁波的反射、传输、吸收。不同的工作频率会影响电磁场在生物体内的分布。

中波：贴皮肤，作用位置在皮肤和皮下脂肪。短波：治疗上不应用太短<100cm的微波。微波作用下，生物体作为复杂的有机电解质吸收微波能量，引起一系列反应和变化，使分子内部重新排列，处于激活状态，为体内化学反应提供外来能源，影响生物的电功能，产生生理反应。辐射剂量控制适当，对人体和动物可以产生良好的刺激作用——微波辐射疗法已广泛应用于临床（温热治疗、高温消融、电灼、电凝、切割等热疗方法）。高强度微波辐射或低强度的长期照射都有可能对人体健康产生不良影响，形成所谓的“无线电波作用综合征”。微波对人体和动物的作用具有两重性。生物电磁学毫米波生物学效应毫米波生物学效应毫米波是指自由空间波长在1~10mm的电磁波，相应的频率范围是30~300GHz，处于微波波段的高频段。毫米波医疗的基本原因在于提高机体的非特异抵抗力和调动机体的内部潜力，基本的医疗方式是用毫米波能量辐射人体的有关部位。虽然毫米波只是在局部的皮肤表层被吸收，但由于在波的作用场内存在有感受细胞、血管、神经纤维等，因此有可能通过机体的神经纤维和体液系统将作用扩展到整个机体，对各种疾病，包括远离照射部位的疾患产生治疗效果。毫米波对生物体的作用特点液态水是强大的毫米波吸收剂，毫米波对水介质的选择性微加热，在相干分界上产生液体对流，导致细胞生命活动过程中各种离子和物质的迁移变化——生物物理基础。功率阈值低，为低强度毫米波辐射效应。生物体实验表明：

生物效应的产生依赖于频率

存在门限强度。

存在累积效应。具有非侵入性，对机体无损伤，易于配合药物或其他疗法进行治疗。治疗剂量小，基本无变态反应，无副作用和远期后遗症。毫米波能提